Performance Characterization and Quantification of Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

204 Pages·2011·6.41 MB·English

by  Jochen Kriegseis

Performance Characterization and
Quantification of Dielectric Barrier Discharge
Plasma Actuators
Vom Fachbereich Maschinenbau
an der Technischen Universität Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
D i s s e r t a t i o n
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Jochen Kriegseis
aus Lahn-Gießen
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. C. Tropea
Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. E. Moreau
Tag der Einreichung: 01.11.2011
Tag der mündlichen Prüfung: 07.12.2011
Darmstadt 2011
D17 (Diss. Darmstadt)

Hiermit versichere ich, die vorliegende Doktorarbeit unter der
Betreuung von Prof.Dr.-Ing. C. Tropea und Dr.-Ing. S. Grundmann
nur mit den angegebenen Hilfsmitteln selbständig angefertigt zu
haben.
Darmstadt, den 1. November 2011,

Abstract
The presentwork is an attempt to improve the characterizationandquan-
tification of the performance of dielectric barrier discharge (DBD) plasma
actuatorsforaerodynamicflow-controlapplications. Existingmeasurement
and evaluation strategies, together with additional new approaches have
been applied and are discussed extensively. Novel scaling numbers are in-
troduced that yield universal and partly non-dimensional key quantities
foranimprovedevaluationofthe electricaldischargecharacteristicsandof
the environmentalinfluences about the behavior of plasma actuators. The
existing strategies to quantify the momentum transfer from the plasma to
the surrounding air are reviewed and have been applied to achieve a com-
prehensive and comparative analysis of the respective differences based on
experimentally obtained data. Direct and implicit as well as differential
and integral force estimation approaches are discussed. To counteract in-
fluences of the environment on the discharge and thus assuring constant
plasma-actuator performance, a closed-loop control circuit of the electri-
calsetupisintroducedandsuccessfullydemonstratedinaproof-of-concept
experiment.
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Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Charakterisierung und Quan-
tifizierung des Arbeitsverhaltens von dielektrischen Barriereentladungs-
plasma-Aktuatoren im Hinblick auf Anwendungen zur aerodynamischen
Strömungskontrolle. BeidendurchgeführtenUntersuchungenkamenbeste-
hendeundneueMess-undAuswertungsstrategienzurAnwendung,dieaus-
führlich diskutiert werden. Es werdenneuartige Maßzahleneingeführt, die
als universelle und teilweise dimensionslose Kenngrößen eine verbesserte
Evaluierung der Leistungsfähigkeit von Plasma-Akuatoren gestatten. Mit
Hilfe dieser neuen Kennzahlen ist sowohl eine zuverlässige Erfassung von
Entladungszustand und -intensität als auch eine präzise Beurteilung der
Umgebungseinflüsse auf das Verhalten des Plasma-Aktuators möglich. Im
Rahmen einer umfangreichen Vergleichsstudie fanden Experimente zur
Quantifizierung der Impulsübertragung vom Plasma auf die umgebende
Luft statt. Dabei kamen alle aktuell exisitierenden Verfahren zur An-
wendung. Sie werden auf der Basis der erhaltenen experimentellen Daten
gegenüberstellendanalysiert. BesondereBeachtungfindetdabeisowohldie
Trennung von direkten und indirekten Methoden als auch die Unterschei-
dungzwischenintegralenunddifferentiellenVerfahrenzurBestimmungder
Kraft. UmdemEinflussderUmgebungsbedingungenaufdieGasentladung
entgegenzuwirken, wurde das vorhandene elektrische Plasma-Aktuator-
systemumeinenRegelkreiserweitert,dessenWirksamkeitaneinemBeispiel
erfolgreichdemonstriert wird.
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Acknowledgements
First of all I want to thank my doctoral adviser Prof. Dr.-Ing. Cameron
Tropea,whogavemethechancetoaccomplishmyPh.Dprojectduringmy
employment as a doctoral researcher at the Institute of Fluid Mechanics
and Aerodynamics (SLA) and the Center of Smart Interfaces (CSI) of the
Technische Universität Darmstadt. The infrastructure provided by him
served as an excellent scientific environment for my research throughout
the last five years. I would also like to thank Prof. Eric Moreau from the
Université de Poitiers for refereeing this thesis.
AspecialwordofthanksisowedtomymentorDr.-Ing. SvenGrundmann
forallthe valuable advisesandfruitful discussions. The frequentexchange
ofideasandconclusionswithhimconsiderablyimprovedthescientificlevel
of the present work. In this context, I gratefully acknowledge the support
of Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel in the period, while Sven was not available
in Griesheim.
Emphasishastobeplacedonthepleasantclimateatwork,whichconsists
ofandiscultivatedbythegroupoffriendlypeopleatthewind-tunnelfacili-
tiesinGriesheim. InparticularIwishtothankDipl.-Ing. AndreasGüttler,
Dr.-Ing. Matthias Kinzel, Dipl.-Ing. Lars Opfer and Dipl.-Ing. Andreas
Reeh, who actually became good friends beyond work and research.
I am truly grateful to my students B.Sc. Tobias Corneli, Dipl.-Ing. To-
bias Dehler, M.Sc. Imdat Maden, Dipl.-Ing. Benjamin Möller, Dipl.-Ing.
ClarissaSchönecker(néeSteffes),B.Sc. DanielSchröterandB.Sc. Clemens
Schwarz. With their work they reasonably contributed to my research.
Further acknowledgement is dedicated to Dipl.-Ing. Katrin Barckmann,
Dipl.-Ing. Jürgen Frey and Dipl.-Ing. Armin Kurz for the technical assis-
tanceusingthewind-tunnelfacilitiesinGriesheimandDresden. Additional
words of thanks go to Ilona Kaufhold, Martin Weiß and their workshop
teams for the ongoing support concerning the experimental setups.
I would like to acknowledge the encouragement I have received over the
years from all my friends and my family, especially from my parents. Fi-
nally, I wish to express my gratefulness to Isabel for all the love, patience,
understanding and unconditional support during the last years.
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